Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации

• Последнее время характеризуется широким внедрением акустоэлек-тронных устройств (АЭУ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в аппаратуру приема, передачи и обработки информации (АПОИ). АЭУ позволяют реализовать в АПОИ такие основные функции, как обработку в реальном масштабе времени в диапазоне 1−1000 МГц, частотную селекцию, псевдослучайный поиск рабочих частот, передачу и обработку информации шумоподобными сигналами, эталонирование, стабилизацию частоты и др. { 83−85 }. АЭУ на ПАВ имеют высокую температурную стабильность, высокую надежность и малые массогабариты. Их отличительной особенностью является отсутствие настройки, возможность совмещения процессов изготовления с микроэлектронной технологией { 86 } .Это обеспечивает широкое применение АЭУ в: спутниковой, тропосферной и радиорелейной линиях связи в составе блоков ППРЧ, ШПС, Фурье-процессоров, ДЛЗ, блоков УПЧ с фильтрами на ПАВ, блоков синхронизации примемо-передачи для ШПС систем связи на основе согласованных фильтров на ПАВ, опорных ПАВгенератороврадиоизмерительной аппаратуре в составе резонаторов на ПАВ, ПАВ-генераторов, ДЛЗ на ПАВмагистральной радиосвязи в составе блоков УПЧ с фильтрами на ПАВ, блоков синхронизации приема и передачи информациисистемах РР и РП в составе блоков УПЧ с фильтрами на ПАВсистемах подвижной радиосвязителевизионной технике { 87 }.

Эти достижения стали возможны лишь при использовании адекватных физических моделей, описывающих возбуждение и распространение ПАВ в 5 пьезоэлектрических кристаллах, а также принципов работы АЭУ, входящих в состав АПОИ.

Несмотря на перспективы применения АЭУ в АПОИ и значительный прогресс в разработке их физических моделей и конструкций, существует еще множество нерешенных вопросов. Параметры лучших лабораторных и серийных образцов АЭУ на ПАВ начинают приближаться к принципиально достижимым, ограниченным технологическими возможностями и труд-ноучитываемыми эффектами «второго порядка» .

Дальнейшее улучшение параметров АЭУ возможно, очевидно, при разработке новых более совершенных принципов взвешивания, позволяющих формировать характеристики АЭУ во всех его узлах, новых более совершенных конструкций, в которых «минимизированны» эффекты «второго порядка», а также методов расчета, компенсации и физических моделей, описывающих работу АЭУ.

Целью настоящей работы является развитие теории АЭУ и разработка на ее основе методов, моделей и конструктивно-технологическтх решений, обеспечивающих достижение предельных характеристик АЭУ в составе АПОИ.

Успешное решение этой важной народно-хозяйственной проблемы позволяет обеспечить постоянно возрастающий уровень требований к техническим характеристикам АПОИ:

• увеличить количество типов акустоэлектронных устройств, освоенных в промышленности средств связи до 100 с характеристиками не уступающими уровню зарубежных аналоговснизить массогабаритные характеристики узлов АПОИ в среднем в 10 разповысить надежность узлов АПОИ в 1.5−2 разарасширить функциональные возможности АПОИболее, чем в десять раз уменьшить площадь пье-зоматериалов: дорогостоящих ниобата и танталата лития, и довести число импедансных АЭУ для мобильных телефонов до 3000 на одной пластине. 6.

Объектами исследований явились АЭУ на ПАВ, являющих основу блоков АПОИ. В состав АЭУ входят акустоэлектронные радиокомпоненты (АРК): встречно-штыревые преобразователи (ВШП), аподизованные ВШП, ВШП с емкостным взвешиванием электродов, дисперсионные линии задержки (ДЛЗ), различные отражательные структуры и многополосковые ответви-тели (МПО), секционированные ВШП и МПО .

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

• разработка физических моделей и новых конструкций АЭУ с емкостным взвешиванием электродов и фильтров на ПАВ на их основе для спутниковой, тропосферной и радиорелейной линий связи, РР и РП, телевизионной техники и радиоизмерительной аппаратуры;

• разработка физических моделей и исследование нового класса импеданс-ных АЭУ в качестве фильтров для подвижных систем связи, в т. ч. для мобильных телефонов, и цифрового телевидения ;

• разработка новых принципов взвешивания устройств на ПАВ;

• теоретические и экспериментальные исследования возбуждения амплитудно модулированных ПАВ;

• теоретические и экспериментальные исследования использования возбуждения ПАВ на гармониках в АЭУ;

• оптимизация топологий АЭУ и разработка систем их автоматизированного проектирования (САПР) и изготовления фотошаблонов (САИФ);

• исследование новых технологических маршрутов изготовления АЭУ;

• разработка рекомендаций по использованию АЭУ в составе узлов и блоков АПОИ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Научная новизна и результаты работы состоят в следующих положениях, которые выносятся на защиту: 7 синтез высокоизбирательных характеристик фильтров с амплитудной одуляцией ПАВ и новые методы взвешивания (емкостное и резистивное) а его основефизические модели и новые конструкции АЭУ с емкостным взвешивани-м электродов и фильтры на ПАВ на их основе для спутниковой, тропо-ферной и радиорелейной линий связи, РР и РП, телевизионной техники и адиоизмерительной аппаратурыемкостное взвешивание, позволяющее повысить ТТХ АПОИ: избира-ельность на 25−35 дБ, улучшить коэффициент прямоугольности АЧХ ильтров ПЧ без увеличения габаритов и усложнения технологии изготов-ения АЭУ;

• метод компенсации дифракционных искажений введением вспомагатель-ного отклика;

• методы повышения частотного диапазона АЭУ в составе АПОИ с использованием эффективного возбуждения ПАВ;

• ступенчатые АЭУ, позволяющие при тех же характеристиках (избирательности, вносимых потерях и др.) существенно упростить (более чем на порядок) технологию изготовления АЭУ на частотах до 2 ГГц, уменьшив в 5−25 раз требования к размеру минимального топологического элемента;

• способ формирования неэквидистантных струтур АЭУ;

• синтез импедансных АЭУ, позволяющий совместить преимущества ЬС-фильтров (малое вносимое затухание, малые пульсации АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания, большая рассеиваемая мощность) с преимуществами ПАВ-фильтров (высокая технологичность, воспроизводимость, малые габариты) и обеспечивающий в производстве такие параметрыПАВ-фильтров, которые недостижимы в других типах АЭУ: вносимое затуханиеменее 2дБ на частотах свыше 800МГц, пульсации группового времени за8 держки до 2 не, до нескольких Вт мощности сигналов, подаваемые на вхо фильтра;

• новый класс импедансных АЭУ на ПАВ для подвижных систем связ мобильных телефонов, и цифрового телевидения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении промышленность:

• во внедрении новых технологий, методов расчета и новых конструкщ АЭУ на предприятиях промышленности средств связи: a) фильтров импедансного типа для мобильных телефонов, b) фильтров на ПАВ для головной станции и абонентских конвертеро для кабельного телевидения, c) телевизионных фильтров на ПАВ на керамике ПКД-124/1, телевизи онных фильтров на ПАВ для объединенного канала изображения и звук на ниобате лития и пьезокерамике, с!) телевизионных фильтров на ПАВ для демодуляторов и передатчи ков, е) фильтров на ПАВ для спутникового тюнера на промежуточной час тоте 479 МГц;

• в проведении исследований и разработке телевизионных фильтров на ПАВ для многостандартных телевизоров согласно опционного соглашения с фирмой «Мига1а» (Япония);

• САПР и САИФ фильтров на ПАВ, ДЛЗ;

• рекомендаций по использованию АЭУ на ПАВ в составе узлов блоков АПОИ.

• новой техники ПАВ импедансных фильтров, позволяющей прово дить разработай на уровне НИОКР с последующей организацией серийно го производства следующей номенклатуры устройств: 9 режекторных фильтров (серийное производство до 1000 изделий в мену),.

§) фильтров для мобильных телефонов (ОКР, организация серийного. оизводства),.

Ь) фильтров ПЧ для телевидения высокой четкости (ОКР), ?) широкополосных (более 20%) фильтров, не требующих сложных фа-осдвигающих цепей и усложнения технологии их изготовления (ОКР),.

3) сверхузкополосных (менее 0,1%) фильтров для малогабаритных ав-огенераторов, устойчивых к параметрам усилителя (ОКР), к) фильтров для трактов ПЧ передатчиков, ретрансляторов и приемни-ов в цифровом телевидении (НИР);

1) фильтров для синтезаторов частот с большим (более бОдБ) внепо-осным затуханием (НИР) — несогласованных фильтров с малым вносимым затуханием (НИР) — п) АЭУ в диапазоне частот до ЮГГц (поисковая НИР). Последнее осо-енно важно для разработчиков АПОИ и РИА, т.к. позволяет отказаться в 1апазоне 2-ЮГГц от более сложных, трудоемких и габаритных фильтров, а микрополосковых линиях или фильтров на магнитостатических волнах.

Разработанные фильтры на ПАВ изготовлены из ниобата ли-1я, танталата лития, пьезокерамики, кварца, имеют лучшие технические арактеристики, чем образцы известных зарубежных фирм.

Настоящая работа в форме научного доклада является обобщением многолетних систематических исследований, выполненных под руководством и непосредственном участии автора.

Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий, они используются в серийном производстве различных типов АЭУ в составе узлов и блоков АПОИ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы докладывались на :

• Х-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике, г. Ташкент, 1978 г.;

• 1У-ой Всесоюзной конференции по методике и технике ультразвуковой спектроскопии, г. Вильнюс, 1980 г.;

• 1Х-ой Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике, г. Казань, 1980 г.;

• Х1-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике, г. Душанбе, 1981 г.;

• Н-ой Всесоюзной конференции «Актуальные проблемы получения и применения пьезоэлектрических материалов», г. Москва, 1982 г.;

• ХП-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике, г. Саратов, 1983 г.;

• ХШ-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике, г. Киев, 1986 г.;

• Всесоюзной конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации», г. Черкассы, 1988 г.;

• Х1У-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела, г. Кишинев, 1989 г.;

• И-ом Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердом теле и слоистых структурах и 1У-ой научно-технической конференции «Акустоэлектроника-89», г. Варна, 1989 г.;

• Всесоюзной конференции «Акустоэлектронные устройства на ПАВ», г. Черновцы, 1990 г.;

• Всесоюзном совещании «Современное состояние, тенденции развития производства акустоэлектронных устройств», г. Минск, 1991 г.;

• Научно-техническом Совете Министерства промышленных средств связи, г. Москва, 1986 г.;

• ежегодных заседаниях секции «Функциональная электроника в АПОИ» Минпромсвязи СССР в 1986;1991 гг.- в гг. .Москва Красноярск, Минск, Омск, Н. Новгород, Ереван, Сухуми, Улан-Уде, С.-Петербург, Каунас, Ре-чица, Андижан.

• Научной сессии РНТО РЭС им. А. С. Попова 1998 г. г. Москва.

Разработанные образцы акустоэлектронных устройств демонстрировались на ежегодных итоговых коллегиях Минпромсвязи (Минсвязи) СССР в 1986;1991 гг., АО «Телеком», Миноборонпрома и Минэкономики России в 1992;1998 гг., международных выставках «ТЕЛЕКОМ» г. Женева 1991 г., 1995 г., Рио-де-Жанейро 1996 г., г. Москва 1991 г., 1996 г.г., Сингапур 1997 г.

Результаты работы отмечались Грамотами Всесоюзного и Российского НТО РЭС им. A.C. Попова, Медалями и Дипломами ВДНХ, Грамотами Московского Областного Совета Комсомола, а дважды, в 1977 и 1982 гг. входили в число достижений Академии Наук СССР.

Результаты исследований, проведенных автором в 1992;1998г.г.обобщены в монографии [ 81 ].

ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Основное содержание работы изложено в 120 научных трудах, в том числе в 21 статьях, 13 зарубежных патентах, 18 авторских свидетельствах, 25 научнотехнических отчетах по НИОКР, 50 тезисах докладов различных конференции и семинаров, разделе книги «Современные проблемы радиотехники и электроники» и монографии «Импедансные фильтры на поверхностных акустических волнах» .

Список опубликованных работ прилагается в конце научного доклада.

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ВНЕ ТГРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

РАБОТЫ.

Экономический эффект только за 1980;1990 гг. превышает 15 млн. рублей и 200 тысяч долларов США. Всего автором внедрено 4 патента и 12 авторских свидетельств.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

Работа представлена в виде научного доклада, обобщающего результаты теоретических исследований и экспериментальных разработок, а также опыты серийного внедрения в производство различных типов АРК на ПАВ.

Доклад содержит 78 страниц машинописного текста, из них 13 рисунков, 6 таблиц, ссылок на 104 библиографических источника (на 9 листах), приложения.

По своей структуре содержание диссертации можно разделить на три уровня (табл.1.). Первый посвящен фундаментальным исследованиям, направленным на создание техники емкостного взвешивания, возбуждению ПАВ на гармониках, конструированию новых типов ВШП, анализу вторичных эффектов. Второй посвящен разработке высокоизбирательных АРК и их технологии изготовления. Третий уровень является практической иллюстрацией эффективности полученных научных и технических результатов по проблеме повышения избирательности АРК для целей создания новых и совершенствования существующих систем и аппаратуры приема, передачи и обработки информации. Ниже кратко излагаются основные результаты диссертационной работы в последовательности, приведенной на структурной схеме (табл.1).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ НОВЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработано новое направление акустоэлектроники — синтез высокоизбирательных характеристик фильтров с амплитудной модуляцией ПАВ и новые методы взвешивания (емкостное и резистивное) на его основе, позволяющие в равной мере формировать характеристики устройств на ПАВ во всех его узлах.

2. Предложены и разработаны фильтры на ПАВ с емкостным взвешиванием, позволяющие увеличить подавление вне полосы пропускания на 25−35 дБ, улучшить коэффициент прямоугольности фильтра без увеличения габаритов и усложнения технологии их изготовления. На основе принципов проблемной адаптации разработана САПР и САИФ.

3. Теоретически и экспериментально доказана целесообразность использования эффективного возбуждения ПАВ на гармониках для синтеза широкого класса высокоизбирательных фильтров на ПАВ, позволяющих существенно упростить технологию изготовленияАЭУ, уменьшив в 5−25 раз требования к минимальному топологическому размеруАЭУ.

4. Разработан метод компенсации дифракционных искажений введением вспомогательного отклика. Доказано, что уменьшение апертуры аподи-зованных ВШП до 5 длин волн не ухудшает параметров фильтров на ПАВ.

5. Разработан ряд новых конструкций ВШП и фильтров на ПАВ, обеспечивающих улучшение электрических характеристик устройств на ПАВ для спутниковой, тропосферной и радиорелейной линий связи, РР и РП, телевизионной техники и радиоизмерительной аппаратуры. Фильтры на ПАВ с емкостным взвешиванием внедрены в производство:

— ТВ фильтров для объединенного канала изображения и звука, для многостандартных телевизиров, для демодуляторов и передатчиков. Показано, что существенное уменьшение габаритов фильтров на ПАВ может.

58 быть достигнуто с использованием ВШП с емкостным взвешиванием, обеспечивающих улучшение избирательности. Разработанные фильтры для ТВЧ превосходят зарубежные аналоги;

— Трактов ПЧ, частотноформируемых блоков спутниковых, радиорелейных линий связи, систем РР и РП, автоматизированных средств радиоконтроля.

6. Разработаны высокоизбирательные антенные разделительные фильтры на ПАВ с емкостным взвешиванием для специальной приемопередающей аппаратуры.

7. Разработан и внедрен способ получения веерных и дисперсионных ВШП, позволивший разработать сверхширокополосную ДЛЗ на ПАВ со средней частотой 750 МГц, девиацией частоты 500 МГц и дисперсионной задержкой 0,8 мкс.

• 8. Разработано новое направление практической акустоэлекгроникисинтез импедансных АЭУ, позволяющий совместить преимущества LC-фильтров (малое вносимое затухание, малые пульсации АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания, большая рассеиваемая мощность) с преимуществами ПАВ-фильтров (высокая технологичность, воспроизводимость, малые габариты) и обеспечивающий в производстве такие парамегрыПАВ-фильтров, которые недостижимы в других типах АЭУ: вносимое затуханиеменее 2дБ на частотах свыше 800МГц, пульсации группового времени задержки до 2 не, до нескольких Вт мощности сигналов, подаваемые на вход АЭУ и проводить на уровне НИОКР с последующей организацией серийного производства следующей номенклатуры устройств для подвижных систем связи, мобильных телефонов, и цифрового телевидения: a) режекторных фильтров для кабельного телевидения (серийное производство до 1000 изделий в смену), b) фильтров для мобильных телефонов (ОКР, организация серийного производства),.

59 с) фильтров ПЧ для телевидения высокой четкости (ОКР), с!) широкополосных (более 20%) фильтров, не требующих сложных фа-зосдвигающих цепей и усложнения технологии их изготовления (ОКР), е) сверхузкополосных (менее 0,1%) фильтров для малогабаритных автогенераторов, устойчивых к параметрам усилителя (ОКР), ]Е) фильтров для трактов ПЧ, передатчиков, ретрансляторов и приемников в цифровом телевидении (НИР);

§) фильтров для синтезаторов частот с большим (более бОдБ) внепо-лосным затуханием (НИР);

Ь) согласованных фильтров с малым вносимым затуханием (НИР) — ?) АЭУ в диапазоне частот до ЮГГц (поисковая НИР). Последнее особенно важно для разработчиков АПОИ и РИА, т.к. позволяет отказаться в диапазоне 2-ЮГТц от более сложных, трудоемких и габаритных фильтров на микрополосковых линиях или фильтров на магнито-статических волнах.

9. Разработанные конструкции АЭУ для мобильных систем связи, кабельного телевидения, спутникового телевидения и телевидения высокой четкости, конкурентоспособны на мировом рынке.

10. Экономический эффект только за период 1980;1990 гг. превысил 200 тысяч долларов США и 15 млн. (в ценах 1990 г.) рублей.

Несмотря на достигнутые положительные результаты по разработке устройств на ПАВ, следует продолжить работы по совершенствованию их конструкций и технологий.

В этом отношении наиболее перспективной будет разработка конку-рентноспособных импедансных ПАВ-фильтров с малыми вносимыми потерями для оконечных приемо-передающих устройств различной АПОИ в диапазоне 2−10 ГГц, а также пассивных радиочастотных меток.